新型导电纤维填充型电磁屏蔽塑料

张小刚， 张贵恩

（中国电子科技集团公司第三十三研究所，山西 太原 030006）

电磁屏蔽塑料是导电塑料在电磁兼容领域的重要应用。超细不锈钢纤维（SSF）与短切石墨镀镍纤维（NCF）是当今填充型电磁屏蔽塑料最主要的填充材料［1－2］。与其他填充材料相比，它们具有更优异的电磁屏蔽性能与机械加工性能，并且制备成本低廉，是未来发展高效、低成本、易加工新型电磁屏蔽塑料的关键原材料［3－6］。目前，国内较为广泛应用的不锈钢纤维填充型塑料屏蔽体在30MHz～5GHz频率范围内，屏蔽效能达80dB以上，可满足绝大多数电子、电气设备的电磁兼容性要求。中国电子科技集团三十三所研制的短切石墨镀镍纤维填充型塑料屏蔽体不但具有优良的宽频段（15kHz～18 GHz）电磁屏蔽性能，而且具有抗EMP毁伤功能，在满足电磁兼容性要求的前提下还可抗雷击与脉冲冲击。近年来，导电纤维填充型电磁屏蔽塑料得到了快速发展，美国GE公司、荷兰DSM公司、美国CHOMERICS公司等国外公司已有多种类型与不同用途的产品面世并获得应用［7－8］。

1 导电纤维填充型电磁屏蔽塑料的特点

超细不锈钢纤维（SSF）与短切石墨镀镍纤维（NCF）填充型电磁屏蔽塑料，在屏蔽电磁波的应用上波阻抗较小，反射损耗也较小，制成品的屏蔽体内部的纤维立体导电网络电导率较高，并有一定的厚度，因此以吸收损耗为主。屏蔽体中的立体导电网络使其渗透性能远远超过其他常用屏蔽材料。铝合金与镁合金等传统材料，由于其自身的电导率高而具有较强的反射作用，渗透性很小。而该电磁屏蔽塑料具有的高渗透性，使其在较宽的频段下都可以通过增强吸收来提高屏效。与表面涂层材料相比，该电磁屏蔽塑料可以提供相同的电导率，且反射损耗接近。但作为结构件，塑料屏蔽体自身具有一定厚度，因此渗透性强，吸收损耗明显高于表面涂层材料。表面涂层材料的一大缺点是，涂层与被涂件的热膨胀系数不同，随着温度的变化涂层易发生脱落现象。

使用普通功能的塑料注塑的零件，还需要进行二次屏蔽层电镀或喷漆工序。而使用导电纤维填充型电磁屏蔽塑料一次注塑的零件，本身即具有电磁屏蔽功能。综合成本比较，经过二次工序的零件直接成本低，还可以避免电镀和喷漆过程中引起的涂镀层材料损失和加工缺陷等。

导电纤维填充型电磁屏蔽塑料以高性能热塑性塑料为基材，采用高强超细不锈钢纤维与短切石墨镀镍纤维作为填料，经过96h的盐雾曝光，电性能和屏蔽性能不发生任何变化，具有非常强的耐恶劣环境性能。

导电纤维在塑料中的体积分数很低，只占到3%左右，对产品改性（增强、阻燃、增韧等）无影响，其密度仅为铝的1／2，并且对基体材料本身性能影响远比其他材料小，零件具有良好的拉伸弯曲性能与耐机械冲击性能，是金属零件的优良替代品。

2 导电纤维填充型电磁屏蔽塑料的组成

导电纤维填充型电磁屏蔽塑料由电绝缘性较好的合成树脂和具有优良导电性能的导电导磁纤维填料及其他添加剂所组成，经注塑成型加工方法制备成各种电磁屏蔽复合材料和制品。常用的合成树脂有PE、PS、PC、ABS、PA、PBT、PET、PPO、PPS和高性能热塑性塑料合金等。导电填料主要选用超细不锈钢纤维（SSF）与短切石墨镀镍纤维（NCF）。SSF与NCF都是新型的导电纤维材料。SSF具有优良的导电性和加工性能，最突出的性能是不易产生表面氧化，因而无需进行繁杂的去氧化层和表面防护处理；NCF除具有SSF的一系列优点外，在低频磁场与脉冲环境中也具备优异的屏蔽性能。

目前，SSF填充型电磁屏蔽塑料约占65%的市场份额，主要应用在家用电子、电器产品、通讯仪器、安全防爆产品、信息传递与安全、抗静电、石油化工等领域；NCF填充型电磁屏蔽塑料约占30%的市场份额，主要应用于便携式电子仪器、通讯器材、医疗器械、军工、航天航空等领域；其他品种约占5%的市场份额。

3 研究进展

3.1 现有产品性能

SSF填充型电磁屏蔽塑料不仅可以满足导电、屏蔽、便于使用的需求，而且不锈钢纤维是由高耐腐蚀性不锈钢原料制成，可在很长时间内保持稳定的导电率，成型过程中不会出现导电层脱落现象而影响器件的屏蔽效能。制品的性能指标见表1。

与其他导电纤维相比，NCF具有较高的导磁性能，能满足复合塑料在宽频段下的优异电磁屏蔽性能。石墨具有极高的导热性能，因此，NCF在屏蔽体中的立体网络结构可以极快地将热量传导出去，即能将屏蔽体受到雷电、强脉冲等毁伤性攻击后产生的大量破坏性热能迅速传导至外界，不但不会破坏屏蔽体本身的导电导磁性能，而且可保护屏蔽体内的电子元器件免受脉冲攻击。测试结果表明，中电三十三所研发的NCF填充PC型电磁屏蔽塑料可承受S、C波段下90kV／m场强的高功率微波冲击。制品的综合性能指标见表2。

表1 SSF填充PC综合性能测试表

表2 NCF填充PC综合性能测试表

3.2 影响因素

3.2.1 导电纤维的长径比

SSF与NCF能够提供长程导电通道，减少添加量。长径比是关键影响因素之一。根据“渗流理论”原理，导电网络的形成是复合材料实现屏蔽功能的前提条件。导电纤维的长径比越大，越有利于导电纤维彼此之间的搭接，形成导电通道。SSF与NCF具有比较大的长径比，在相同纤维含量下，随着纤维长径比的增大，复合材料的导电性随之增加。研究发现，SSF质量分数在12%时达到阈值，NCF质量分数在15%时达到阈值。此时，复合材料的力学性能下降极为严重。

导电纤维掺杂热塑性塑料在混炼、成型过程中容易发生缠绕、折断和切短等问题。因此，要根据材料的性能要求设计合理的长径比参数。

3.2.2 表面改性处理

由于SSF、NCF与热塑性塑料基体的表面性能差异较大，纤维不容易在基体中分散均匀，所以，如何改善金属纤维的表面性能并优化复合工艺成为制备热塑性导电塑料材料的关键。理论和实验研究表明，通过使用偶联剂处理纤维，可以使纤维与树脂实现良好的界面黏结。利用表面处理剂进行“湿润”表面改性可明显改善纤维与基体的“湿润”状态，并使纤维复合体系的流动性明显提高。若“湿润”不好，则会在两相界面上留下空隙而产生应力集中点，使复合材料强度明显下降。对纤维湿润的大小通常用接触角来表示，接触角小，则表示液相与固相表面具有良好的接触和润湿。表面处理剂在结构上的特点为：一端为亲聚合物，与聚合物基体亲合；另一端为亲水性基团，与纤维表面作用。当在表面形成分子处理剂即单分子层时，接触角降至最小；浓度再增大，反而破坏了这种单分子层的规整排列而导致接触角增大。在纤维用量相同的情况下，纤维经表面处理后，复合材料的电导率会下降1个～3个数量级，但缺口冲击强度却得到提高，可增加30%～35%，起到了显著改性效果。原因是：1）处理剂增加了纤维在基体树脂中分散的均匀性；2）处理剂在纤维和树脂间形成了一层膜状界面层，起到了分散和释放冲击能的缓冲作用。

3.2.3 成型工艺参数

SSF与NCF填充热塑性复合材料的成型主要是通过注塑工艺实现的。为了确保导电纤维在复合材料中分散的均匀性，需要制备导电纤维与热塑性塑料的复合粒料。首先，在纤维表面包覆一层热塑性树脂，冷却后通过切粒机取得粒径均匀的复合导电粒料；然后，通过注塑工艺实现一次成型。

注塑加工条件对材料的导电网络和物理性能影响较大，主要影响因素如下：

1）温度。熔融料温度高，则复合材料流动性增大，可迅速充满型腔。但温度过高，容易烧毁导电纤维，降低导电性。所以，要根据复合导电纤维粒料的不同来确定最佳温度。

2）压力。注塑压力增大，则熔融料受剪切作用大，流动性也增大。但剪切作用过大，易导致纤维断裂，影响立体搭接效果。所以，成型时应调节注塑压力来控制流动性。

3）模具结构，浇注系统的形式、尺寸、布置，冷却系统设计，熔融料流动阻力（如型面光洁度，料道截面厚度，型腔形状，排气系统）等因素都直接影响到熔融料在型腔内的实际流动性。凡促使熔融料降低温度、增加流动性阻力的，流动性则降低。模具设计时，应根据所用塑料的流动性选用合理的结构。成型时也可通过控制料温、模温、注塑压力、注塑速度等因素来适当调节填充情况，以满足成型需要。

4 结语

SSF、NCF填充型电磁屏蔽塑料在未来很长一段时期内将是电子设备屏蔽壳体的重点研究内容。随着各种新型特种树脂的成功制备，对各种极端环境下应用的电磁屏蔽塑料壳体的应用需求将变得更为现实。同时，随着加工技术的不断更新与完善，特别是加工设备的不断创新和提高，电磁屏蔽塑料将会在更高水平上满足不同领域的应用要求，这将从根本上改变我国电磁屏蔽塑料研究与开发滞后于国外先进水平的现状，进一步扩大电磁屏蔽塑料材料的应用领域。

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